Анализ и моделирование биполярных транзисторов

а потом цепи коллектора, но не наоборот.

Если надо измерить ток , то в цепь коллектора обязательно включают ограничительный резистор и производят измерение при разрыве провода базы.

5. Статические характеристики биполярного транзистора.

Схема с общей базой

В транзисторах в качестве одной из независимых переменных обычно выбирают ток эмиттера, легче поддающийся регулированию, чем напряжение. Из характеристик наибольшее распространение получили входные и выходные характеристики транзистора.

Входные характеристики. Входные характеристики транзисторов в схеме с общей базой при определяются зависимостью (5.1):

(5.1)

При большом обратном напряжении коллектора () ток мало зависит от коллекторного напряжения. На рис. 5-1,а показаны реальные входные характеристики германиевого транзистора. Они соответствуют теоретической зависимости (5.1), подтверждается и вывод о слабом влиянии коллекторного напряжения на ток эмиттера.

Рис 5-1

Начальная область входных характеристик, построенная в соответствии с теоретической зависимостью (5.1), показана на рис. 5-1, а крупным масштабом (в окружности). Отмечены токи I₁₁ и I₁₂, а также эмиттерный ток закрытого транзистора

(5.2)

протекающий в его цепи при обратных напряжениях эмиттера и коллектора. Как следует из соотношения (5.1), ток эмиттера равен нулю при напряжении эмиттера

(5.3)

Такое же напряжение устанавливается на эмиттере, если он изолирован от других электродов.

Реальные характеристики транзистора в начальной области несколько отличаются от теоретических. Обратный ток эмиттера при короткозамкнутом коллекторе, обозначаемый , отличается от тока экстракции I₁₁ наличием еще двух составляющих: термотока и тока поверхностной проводимости :

(5.4)

Обратный ток эмиттера при обратном напряжении коллектора

(5.5)

Входные характеристики кремниевого транзистора показаны на pиc. 5-1,б. Они смещены от нуля в сторону прямых напряжений; как и у кремниевого диода, смещение равно 0,6—0,7 В. По отношению к входным характеристикам германиевого транзистора смещение составляет 0,4 В.

Выходные характеристики.

Теоретические выходные характеристики транзистора в схеме с общей базой при I_Э=const определяются зависимостью (5.6):

(5.6)

Они представлены на рис. 5-2,а. Вправо по горизонтальной оси принято откладывать рабочее, т. е. обратное, напряжение коллектора (отрицательное для транзисторов типа р-n-р и положительное для транзисторов типа n-р-n). Значения протекающего при этом тока коллектора откладывают по вертикальной оси вверх. Такой выбор осей координат выгоден тем, что область характеристик, соответствующая рабочим режимам, располагается при этом в первом квадранте, что удобно для расчетов.

Если ток эмиттера равен нулю, то зависимостьпредставляет собой характеристику электронно-дырочного перехода: в цепи коллектора протекает небольшой собственный обратный ток I_Ко или с учетом равенства (5.7) ток I_КБо. При U_эб=0 собственный обратный ток коллектора

(5.7)

При прямом напряжении коллектора ток изменяет направление и резко возрастает — открывается коллекторный переход (в целях наглядности на рис. 5-2 для положительных напряжений взят более крупный масштаб).

Рис 5-2

Если же в цепи эмиттера создан некоторый ток I_э, то уже при нулевом напряжении коллектора в его цепи в соответствии с выражением (5.6) протекает ток I_к=I^’_э обусловленный инжекцией дырок из эмиттера. Поскольку этот ток вызывается градиентом концентрации дырок в базе, для его поддержания коллекторного напряжения не требуется.

При подаче на коллектор обратного напряжения ток его несколько возрастает за счет появления собственного тока коллекторного перехода I_КБ0и некоторого увеличения коэффициента переноса v, вызванного уменьшением толщины базы.

При подаче на коллектор прямого напряжения появляется прямой ток коллекторного перехода. Так как он течет навстречу току инжекции I_э, то результирующий ток в цепи коллектора с ростом прямого напряжения до величины U_K₀ быстро уменьшается до нуля, затем при дальнейшем Рис 5-3 повышении прямого напряжения коллектора приобретает обратное направление и начинает быстро возрастать.

Если увеличить ток эмиттера до значения , то характеристика сместится пропорционально вверх на величину и т. д.

На рис. 5-2,б представлены реальные выходные характеристики транзистора МП14; они имеют такой же вид, как и теоретические, с учетом поправок на термоток перехода и ток его поверхностной проводимости.

Коэффициент передачи тока эмиттера. Как показывает опыт, коэффициент передачи тока а зависит от величины тока эмиттера (рис. 5-3).

С ростом тока эмиттера увеличивается напряженность внутреннего поля базы, движение дырок на коллектор становится более направленным, в результате уменьшаются рекомбинационные потери на поверхности базы, возрастает коэффициент переноса , а следовательно, и . При дальнейшем увеличении тока эмиттера снижается коэффициент инжекции и растут потерн на объемную рекомбинацию, поэтому коэффициент передачи тока начинает уменьшаться.

В целом зависимость коэффициента передачи тока от тока эмиттера в маломощных транзисторах незначительна, в чем можно убедиться, обратив внимание на масштаб по вертикальной оси рис. 5-3.

В транзисторах, работающих при высокой плотности тока, наблюдается значительное падение напряжения вдоль базы, обусловленное током базы; в результате напряжение в точках эмиттерного перехода, удаленных от вывода базы, оказывается заметно меньшим, чем в близлежащих. Поэтому эмиттерный ток концентрируется по периметру эмиттера ближе к выводу базы, эффективная площадь эмиттера получается меньше, чем при равномерной инжекции, и коэффициент быстро надает с ростом тока эмиттера. Для ослабления указанного явления применяют электроды, имеющие высокое отношение длины периметра к площади: кольцевые и гребенчатые.

Схема с общим эмиттером

Ранее были рассмотрены статические характеристики транзистора, включенного по схеме с общей базой, когда общая точка входной и выходной цепей находится на базовом электроде. Другой распространенной схемой включения транзистора является схема с общим эмиттером, в которой общая точка входной и выходной цепей соединена (рис. 5-4).

Входным напряжением в схеме с общим эмиттером является напряжение базы измеряемое относительно эмиттерного электрода. Для того чтобы эмиттерный переход был открыт, напряжение базы должно быть отрицательным (рассматривается транзистор типа р-n-р).

Выходным напряжением в схеме с общим эмиттером является напряжение коллектора измеряемое относительно эмиттерного электрода. Для того чтобы коллекторный переход был закрыт, напряжение коллектора должно быть большим по величине, чем прямое напряжение базы.